A origem da vida: a evolução darwiniana começou antes da própria vida?

Um estudo realizado por cientistas da Universidade de Munique mostra que as características fundamentais das moléculas poliméricas, como sua composição de subunidades, são suficientes para desencadear processos de seleção em um provável cenário pré-biótico.

Antes do surgimento da vida na Terra, muitos processos físicos e químicos em nosso planeta eram extremamente caóticos. Muitos pequenos compostos e polímeros de comprimento variável, feitos de subunidades (como as bases encontradas no DNA e no RNA) estavam presentes em todas as combinações concebíveis.

Antes que processos químicos semelhantes à vida pudessem surgir, o nível de caos nesses sistemas teve que ser reduzido. Em um novo estudo, a física LMU, liderada por Dieter Brown, mostrou que as propriedades básicas de polímeros simples, junto com certos aspectos do ambiente pré-biótico, podem levar a processos de seleção que reduzem a desordem.

Em publicações anteriores, a equipe de pesquisa de Brown explorou como a ordem espacial pode evoluir em câmaras estreitas e cheias de água em rochas vulcânicas porosas no fundo do mar.

Esses estudos mostraram que, na presença de uma diferença de temperatura e de um fenômeno convectivo conhecido como efeito Soret, os filamentos de RNA podem se acumular localmente em várias ordens de magnitude, dependendo do comprimento. “O problema é que as sequências de base das moléculas mais longas que obtemos são completamente caóticas”, diz Brown.

As ribozimas evoluídas (enzimas baseadas em RNA) têm uma sequência de bases muito específica que permite que as moléculas se dobrem em formas específicas, enquanto a grande maioria dos oligômeros formados na Terra Primitiva provavelmente tinham sequências aleatórias.

“O número total de possíveis sequências de base, conhecido como 'espaço de sequência', é incrivelmente grande”, diz Patrick Koudella, o primeiro autor do novo relatório.

"Isso torna quase impossível montar estruturas complexas, características de ribozimas funcionais ou moléculas comparáveis, por um processo puramente aleatório." Isso levou a equipe do LMU a suspeitar que a expansão das moléculas para formar "oligômeros" maiores está sujeita a algum tipo de mecanismo de pré-seleção.

Nos primeiros dias de vida, havia apenas alguns processos físicos e químicos muito simples em comparação com os complexos mecanismos de replicação celular, de modo que a escolha das sequências deve ser baseada no ambiente e nas propriedades dos oligômeros.

É aqui que entra a pesquisa do grupo de Brown. É importante para a função catalítica e estabilidade dos oligômeros que formem fitas duplas semelhantes à conhecida estrutura helicoidal do DNA. Esta é uma propriedade elementar de muitos polímeros e torna possível criar complexos com peças de dois fios e de fita simples. As peças de fio único podem ser reparadas de duas maneiras.

Em primeiro lugar, pela chamada polimerização, em que as fitas são terminadas com bases simples para formar fitas duplas completas. A outra é conhecida como bandagem. Nesse processo, os oligômeros mais longos são interligados. Aqui, ambas as partes de fita simples e dupla são formadas, o que proporciona maior crescimento do oligômero.

“Nosso experimento começa com um grande número de fitas curtas de DNA e, em nosso sistema modelo para os primeiros oligômeros, usamos apenas duas bases complementares - adenina e timina”, diz Dieter Braun. "Nossa hipótese é que a ligação de fitas com sequências aleatórias resulta em fitas mais longas com menos sequências de bases aleatórias."

A equipe de Brown então analisou as misturas de sequências desses experimentos usando um método que também é usado na análise do genoma humano. O teste confirmou que a entropia da sequência, ou seja, o grau de desordem ou aleatoriedade nas sequências reconstruídas, estava de fato reduzida nesses experimentos.

Os pesquisadores também foram capazes de identificar as razões para essa ordem “autogerada”. Eles descobriram que a maioria das sequências obtidas são divididas em duas classes - com composições de base 70% de adenina e 30% de timina, ou vice-versa.

“Com uma proporção significativamente maior de uma das duas bases, o fio não pode se dobrar sozinho e permanece como um parceiro de reação para a ligadura”, explica Brown. Assim, a reação praticamente não forma fios com metade de cada uma das duas bases. “Também vemos pequenas distorções na composição do pool curto de DNA, deixando padrões motivacionais distintos, dependentes da posição, especialmente nas longas fitas do produto”, diz Brown.

O resultado surpreendeu os pesquisadores porque um fio de apenas duas bases diferentes com uma relação de base específica tem maneiras limitadas de se diferenciar. “Apenas algoritmos especiais podem detectar detalhes tão surpreendentes”, dizem os cientistas.

Experimentos mostram que as características mais simples e fundamentais dos oligômeros e de seu ambiente podem servir de base para processos seletivos. Mesmo em um sistema de modelo simplificado, diferentes mecanismos de seleção podem entrar em jogo, que afetam o crescimento dos filamentos em diferentes escalas de comprimento e são o resultado de diferentes combinações de fatores.

De acordo com Dieter Braun, esses mecanismos de seleção eram um pré-requisito para a formação de complexos cataliticamente ativos, como as ribozimas, e, portanto, desempenhavam um papel importante na emergência da vida do caos.